Дефекты кристаллической структуры
реклама
Дефекты кристаллической структуры Залужный А. Г. Точечные. Имеют атомные размеры во всех трех измерениях. Их размеры во всех направлениях не больше нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: вакансии, междоузельные атомы и всевозможные их сочетания, их комплексы, атомы примеси. Линейные. Имеют атомные размеры в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем. К линейным дефектам относятся дислокации, дисклинации, цепочки вакансий и междоузельных атомов. Поверхностные. Имеют атомные размеры только в одном измерении. К ним относятся поверхность, границы зерен, фаз, двойников; дефекты упаковки; границы доменов в сверхструктуре и т.п. Объемные. В отличие от перечисленных выше дефектов, имеют во всех измерениях относительно большие размеры, несоизмеримые с атомными. К ним относятся поры, трещины, выделения и т.д. Классификация дефектов Точечные дефекты. Вакансия Вакансия представляет собой пустой узел кристаллической решетки , междоузельный атом – атом, расположенный в междоузлии. В то время как вакансии всегда расположены в узлах решетки, для междоузельных атомов рассматривают более чем одну возможную конфигурацию, что связано с изменением энергии кристалла при образовании дефекта в зависимости от его расположения. Вакансия представляет собой пустой узел кристаллической решетки Вакансия Одним из основных параметров, характеризующих точечный дефект, является энергия его образования EF . EF =Ec-B Величина энергии образования точечного дефекта определяет их равновесную концентрацию в кристалле C= exp (- EF /kT) Энергия образования точечных дефектов Междоузельный атом – атом, расположенный в междоузлии. Для междоузельных атомов рассматривают более чем одну возможную конфигурацию. Междоузельный атом Краудион Эксперименты и расчеты показывают, что энергия образования междоузельного атома в несколько раз больше, чем энергия образования вакансии (несколько эВ). Это превышение связано со значительными искажениями решетки, возникающими при образовании междоузельного атома. Междоузельный атом (ОЦК) Механизм Шоттки Искажение кристаллической решетки, вызываемое точечными дефектами Миграция вакансий При перемещении в соседний узел атом преодолевает энергетический барьер Энергия миграции вакансии Самодиффузия Миграция собственных атомов по узлам кристаллической структуры (вакансионный механизм) D=D0exp(- Eсд/kT), Eсд= Evf +Evm Eсд ≈ 2 эВ При облучении Eсд= Evm, радиационно – стимулированная диффузия Подвижность междоузельных атомов должна быть значительно выше подвижности вакансий. Это следует из того, что объемноцентрированная и гантельная конфигурации близки друг другу по расположению атомов и энергии, и поэтому наиболее легкий путь перемещения междоузельного атома есть последовательное изменение конфигурации: объемноцентрированная – гантельная – объемно-центрированная и т.д., т.е. движение междоузельного атома носит «эстафетный» характер Миграция междоузельных атомов Энергия миграции точечных дефектов E2vf = 2Evf - B Комплексы точечных дефектов Конфигурация и энергия связи комплексов. Тривакансии Тетравакансии Пентавакансии Двойные комплексы междоузельных атомов Миграция тривакансии Более легко происходит образование тепловых вакансий по механизму Шотки Образование и отжиг точечных дефектов Отжигом дефектов называется процесс исчезновения дефектов из перенасыщенного ими кристалла. Избыточные дефекты могут удаляться из кристалла двумя различными путями: перемещением к стокам и рекомбинацией. Если в кристалле имеются дефекты одного типа например вакансии и их простые комплексы, то они исчезают только в стоках, простейшим из которых является внешняя поверхность. Однако в реальном кристалле всегда присутствуют внутренние поверхности, такие, как границы зерен. В свою очередь, точечные дефекты могут порождать дислокации, на которых сами же затем исчезают. Если имеются дефекты двух типов, которые способны взаимно уничтожать друг друга , то возможно их исчезновение за счет прямой рекомбинации. Отжиг дефектов Закалка. Равновесная концентрация дефектов достигается и поддерживается за счет того, что дефекты диффундируют к внутренним и внешним поверхностям и от них. С понижением температуры равновесная концентрация вакансий уменьшается по экспоненциальному закону. При закалке этот процесс не успевает пройти, и фиксируется избыточная концентрация вакансий – металл пересыщается вакансиями. Получение высокой концентрации точечных дефектов Облучение Пара «вакансия‐межузельный атом» называется дефектом Френкеля (1926) Яков Ильич Френкель 1894‐1952 Облучение Каскады смещения Каскадная функция Радиационное распухание материалов Легирование на уровне твердого раствора Легирование с целью создания дисперсионно – упрочненных сплавов Создание дисперсно-упрочненных сплавов Предварительная деформация Уменьшение размера зерна Создание условий для процесса аннигиляции точечных дефектов Способы борьбы с радиационным распуханием Радиационный рост Радиационный рост в зависимости от флюенса Устранение анизотропии Устранение текстуры Уменьшение размера зерен Создание условий для процесса аннигиляции точечных дефектов Способы борьбы с радиационным ростом Дислокации Дислокация: линия незавершенного сдвига Сдвинуть полкристалла целиком – энергетически очень невыгодно! Оценка Френкеля Краевая дислокация (edge dislocation) Вставленная экстраплоскость Сдвиг, создавший дислокацию Винтовая дислокация Винтовая дислокация: расположение атомов Контур и вектор Бюргерса Контур и вектор Бюргерса Вектор Бюргерса краевой дислокации Движение дислокации может осуществляться консервативным и неконсервативным путями. Консервативное движение дислокации – скольжение – не сопровождается переносом массы вещества, неконсервативное движение – переползание – обусловлено переносом вещества. Движение дислокаций Скольжение краевой дислокации Поэтому сдвиг происходит постепенно ... ... как складка на ковре Скольжение дислокаций Скольжение дислокаций Системы скольжения Пороги на краевой дислокации Переползание дислокации Переползание краевой дислокации Для смещения ступени (излома) нужна диффузия атомов и вакансий. Дислокационные ступени (изломы) – источники (стоки) вакансий Скольжение винтовой дислокации Скольжение винтовой дислокации Смешанные дислокации Скольжение смешанной дислокации через весь кристалл Сдвиг, создающий смешанную дислокацию Пластическая деформация как . движение дислокаций Деформационное упрочнение Факторы, тормозящие движение дислокаций (упрочнение материалов) F=Gb/r Равновесие прогнутой дислокации Деформационное упрочнение. Источник Франка-Рида Размножение дислокаций при пластической деформации: источник Франка-Рида 1950 Sir Frederick Charles Frank 1911-1998 Thornton Read Упругие поля дислокаций Vito Volterra 1860-1940 Энергия винтовой дислокации Поле напряжений винтовой и краевой дислокаций E вз= A sinθ/r Легирование на уровне твердых растворов Атмосферы Коттрела Зуб текучести Атмосферы Снука Упрочнение границами зерен и субструктурой Стенка дислокаций Дисперсионное упрочнение Упрочнение дисперсными частицами Радиационное упрочнение Упругое взаимодействие дислокаций Пересечение дислокаций Движение дислокаций с порогами Взаимодействие дислокаций с дислокациями леса Образование барьеров Ломер – Коттрелла и Легирование Границы зерен Субструктура Дисперсное и дисперсионное упрочнение и др. Упрочнение материалов Образование дислокаций Ступенька на поверхности совершенного кристалла (а) и кристалла с винтовой дислокацией (б) Образование дислокаций Дислокация несоответствия на границе растущего кристалла К с подложкой П Дислокация несоответствия Образование стенки дислокаций при срастании зерен во время кристаллизации Источник Франка–Рида . Дислокации в типичных кристаллических структурах Подразделение дислокаций на полные и частичные . Краевые дислокации единичной (а) и двукратной мощности (б) Подразделение дислокаций на полные и частичные. Плотнейшие упаковки и дефекты упаковки. Характерные полные (единичные) . дислокации Единичная краевая дислокация в плоскости (0001) в ГПУ структуре . Единичная краевая дислокация в ГПУ и ГЦК структурах: I–I и II–II – экстраплоскости; b1 = 1/3 или а/2011 Частичные дислокации Шокли. Слой плотнейшей упаковки атомов А и векторы Бюргерса единичной b1 и частичных дислокаций (b2, b3) Частичные дислокации Шокли. Расщепленные дислокации. Изменение энергии при смещении атомов в слое плотнейшей упаковки Расщепленная дислокация в плоскости (0001) ГПУ структуры Расщепленная краевая дислокация в ГПУ и ГЦК структурах: d0 – ширина дефекта упаковки; b1 = 1/3 или а/2 Дислокация Франка в ГЦК структуре. Линия дислокации лежит в плоскости 111, перпендикулярной плоскости чертежа 110, и выходит на плоскость чертежа в точке а: 1 – атомы в плоскости рисунка; 2 – атомы непосредственно над ней Двойная дислокационная петля Франка в ГЦК структуре Дислокационные реакции Лекция №15 Частичные дислокации Шокли. Стандартный тетраэдр и дислокационные реакции в ГЦК структуре. Развертка тетраэдра Томпсона Образование барьера Ломер – Коттрелла при встрече растянутых дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения: а – до встречи, б – после встречи Характерные дислокации в ГЦК структуре Лекция №16 Стандартная пирамида и дислокационные реакции в ГПУ структуре. Элементарная ячейка ГПУ структуры со стандартной бипирамидой Стандартная пирамида и дислокационные реакции в ГПУ структуре. Дислокационные реакции в ОЦК структуре.
